Космические исследования, 2020, T. 58, № 1, стр. 16-26

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В настоящее время основной долгосрочной целью NASA в области изучения и освоения дальнего космоса является осуществление пилотируемых экспедиций на Марс. Роскосмос на ближайшие 10–15 лет пилотируемые полеты на Марс не планирует, рассматривая в качестве основной цели пилотируемые миссии на поверхность Луны: вначале это будет окололунная станция на низкой орбите, а потом станция на Луне.

Несмотря на различие приоритетов, большое внимание следует уделить работам в области создания автоматической системы оперативного контроля и управления качеством среды обитания. На борту будущих обитаемых объектов необходимо создать систему анализа физико-химических показателей атмосферы, воды, пищи, интерьера, а также технического состояния технологических узлов и агрегатов, составляющих общую систему жизнеобеспечения.¹¹ В настоящее время разработка вариантов построения систем экологического контроля и жизнеобеспечения на пилотируемых космических кораблях проводится очень интенсивно [1–8].

В частности, НАСА в рамках государственно-частного партнерства успешно реализует программу Next Space Technologies for Exploration Partnerships (NextSTEP), нацеленную на пошаговую разработку систем жизнеобеспечения для дальних космических полетов. Компания UTC Aerospace Systems завершила первую фазу NextSTEP, проведя предварительные исследования по разработке системы универсального экологического контроля и системы жизнеобеспечения (ECLSS) для проектирования среды обитания при длительных космических полетах [9]. Ключевыми результатами первой фазы стали предложения по базовым технологиям NextSTEP, разработка исходных требований безопасности, а также проработка модульного (паллетного) построения системы жизнеобеспечения (СЖО) с определением возможности по ее техническому обслуживанию в полете.

Вторая фаза реализации программы NextSTEP, началась в мае 2017 г. Она представляет собой, по сути, резкий поворот от разработки систем контроля за состоянием окружающей среды и жизнеобеспечения в глубоком космосе (ECLS) к начальному дизайну СЖО (ECLSS) для окололунных миссий. Это предполагает переход к разработке интегрированной архитектуры управления, разработке стандартов СЖО и интерфейса среды обитания, создание прототипа действующей системы регенерации воздуха. В завершение запланировано создание полного комплекта ECLS, включающего демонстрационные паллеты СЖО и интеллектуальную систему прогностического управления здоровьем экипажа.

Существующий комплекс систем жизнеобеспечения Российского сегмента МКС обеспечивает только частичную регенерацию воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека. В работе [10] обоснован метод выбора комплекса систем жизнеобеспечения с повышенной степенью регенерации воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности космонавтов на основе переменной массы доставляемого оборудования для последующей стадии развития МКС.

Целями настоящей работы является определение основных факторов риска, влияющих на номенклатуру и количественный состав химических веществ, загрязняющих воздушную среду пилотируемых космических аппаратов (ПКА), состав оборотной воды при межпланетных космических полетах и описание перспективного варианта модулей СЖО для мониторинга газовой среды и качества оборотной воды. Исследования по данным направлениям были начаты авторами работы в начале 2016 г. в инициативном порядке и базируются на оригинальных российских разработках.

КОНЦЕПЦИЯ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОЗДУХА

Теоретическую основу концепции санитарно-гигиенического обеспечения безопасности человека при освоении дальнего космоса в системе “здоровье космонавта–среда обитания” составляет определение факторов, негативно влияющих на формирование многокомпонентного химического состава воздушной среды, и причинно-следственных связей, определяющих риск причинения ущерба здоровью космонавтов. Выделение летучих органических соединений (ЛОС) происходит на ПКА вследствие процессов деструкции и старения полимеров при воздействии термических, световых, радиационных и других факторов среды. Поэтому одним из приоритетных направлений является создание медицинской технологии оперативного управления качеством воздуха ПКА по химическому фактору, объединяющей методологию оценки рисков интоксикации для человека и режимы эффективной работы систем очистки и регенерации воздушной среды ПКА [11, 12]. Важным этапом решения проблемы является определение стратегии мониторинга и разработка средств анализа химического состава воздушной среды ПКА для получения фактических данных мониторинга в режиме реального времени [13].

Основные факторы, определяющие химический состав воздушной среды ПКА:

1. Полимерные конструкционные материалы, санитарно-гигиенические мероприятия.

2. Старение (деструкция) матрицы полимерных материалов с выделением в воздушную среду ПКА высокотоксичных мономерных остатков макромолекул (цианиды, амиды, фураны, полиароматические углеводороды), либо веществ, имеющих ненасыщенные связи – диолефины, низкомолекулярные жирные кислоты и насыщенные альдегиды.

3. Трансформация химических соединений с образованием вторичных, в основном более токсичных, летучих органических соединений вследствие процессов каталитического окисления в системах очистки и регенерации воздушной среды.

4. Метаболизм человека и организмов, входящих в экологическую замкнутую систему (человек–микроорганизмы–растения).

Следует отметить, что роль человека в загрязнении воздушной среды ПКА, определяется, в основном, накоплением диоксида углерода и метана, поддержание концентраций которых в пределах нормативных требований эффективно осуществляется системами очистки и регенерации воздушной среды [12, 14].

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ПКА

Многолетняя эксплуатация МКС дала возможность установить основные закономерности формирования динамичной и многокомпонентной по номенклатуре и концентрациям ЛОС воздушной среды долговременных орбитальных станций (рис. 1 и 2) [15]. Мониторинг химического состава воздушной среды орбитальных станций Мир и МКС показал, что по мере увеличения длительности эксплуатации наблюдается расширение спектра токсикологически значимых ЛОС, что обусловлено увеличением насыщенности станций полимерами [12, 15, 16].

Рис. 1.

Динамика химического состава воздуха на начальных этапах эксплуатации МКС (экспедиция МКС-4: 5.XII.2001–19.VI.2002, экспедиция МКС-15: 7.IV–21.X.2007 г.).

Рис. 2.

Динамика химического состава воздуха на промежуточных этапах эксплуатации МКС (экспедиция МКС-17: 8.IV–24.X.2008 г., экспедиция МКС-36: 14.V–11.IX.2013 г.).

Летучие и среднелетучие органические соединения формируют сложную многокомпонентную смесь, представленную различными классами химических соединений, в составе которой лидирующая роль принадлежит предельным, непредельным и ароматическим углеводородам, спиртам, альдегидам, фталатам, кетонам, эфирам, кремнийорганическим соединениям. Анализ взаимосвязи ЛОС в воздушной среде и длительности эксплуатации МКС показал статистически значимую положительную связь (коэффициент Спирмена r = 0.89 при р < 0.01), что позволило спрогнозировать дальнейшее расширение спектра загрязняющих веществ по мере увеличения длительности полета МКС [14, 15].

Другим неблагоприятным фактором является увеличение концентрации водорастворимых соединений, в частности, кремнийорганических веществ, таких как диметилсиландиол, степень поглощения которого конденсатом атмосферной влаги доходит до 96%, а также спиртов. Водорастворимые соединения в конденсате атмосферной влаги были обнаружены при проведении ремонтных работ в американском сегменте (АС), когда концентрации полисилоксанов в воздухе станции возросли значительно (см. рис. 3).

Рис. 3.

Динамика концентраций полисилоксанов в воздушной среде в период ремонтных работ американской системы удаления СО₂ (CDRA) (2013 г.). Стрелками указаны моменты проведения ремонтных работ на CDRA.

СТРАТЕГИЯ МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОЗДУХА

В настоящее время стратегия мониторинга химического состава воздушной среды МКС предусматривает получение максимально возможного объема информации в режиме реального времени по телеметрии с использованием автоматических электрохимических и фотоколориметрических газоанализаторов. Существующими средствами мониторинга обеспечивается идентификация спектра химических веществ, необходимого для оценки качества воздушной среды МКС согласно требованиям нормативных документов [17, 18] и SSP50260 ISS MORD (Medical Operations Requirements Document for International Space Station, NASA, ISSP Johnson Space Center, USA, 2006).

Периодический наземный контроль летучих органических соединений при орбитальных полетах проводится путем анализа проб воздуха, доставляемых в сорбентных пробозаборниках на Землю, с последующим анализом методом хромато-масс-спектрометрии – ХМС (отсроченные данные). Анализ отсроченных данных методом ХМС дает необходимую информацию о количественном и качественном составе ЛОС, уровне суммарной загрязненности воздушной среды, но не позволяет оперативно в реальном времени проводить токсиколого-гигиеническую оценку риска для здоровья человека воздействия химических веществ при штатном функционировании СЖО и уровне загрязнения среды ЛОС при возникновении нештатных ситуаций [19].

Стратегия мониторинга химического состава воздушной среды длительных и межпланетных экспедиций определяет необходимость осуществления непрерывного, динамического контроля содержания ЛОС и неорганических веществ в воздушной среде ПКА в реальном масштабе времени. Это необходимо для принятия оптимальных медико-технических управленческих решений, направленных на контроль безопасности среды и обеспечение сохранения работоспособности экипажа и корректировку эффективности работы систем жизнеобеспечения.

МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ ОРБИТАЛЬНЫХ И МЕЖПЛАНЕТНЫХ ПОЛЕТАХ

В условиях длительных орбитальных и межпланетных полетах водообеспечение экипажей будет осуществляться в основном на процессах регенерации воды из влагосодержащих продуктов жизнедеятельности космонавтов: мочи, конденсата атмосферной влаги, санитарно-гигиенических, а также технологических вод и отходов биологических систем жизнеобеспечения.

Впервые полный круговорот воды в ограниченном замкнутом пространстве был реализован в годовом медико-техническом эксперименте в ИМБП РАН в 1967 г., в котором трое испытателей врач Г.А. Мановцев, биолог А.Н. Божко и техник Б.Н. Улыбышев в течение года употребляли воду, регенерированную из их продуктов жизнедеятельности [20].

На космической станции Мир функционировали системы регенерации воды из мочи (“СРВ-У”) и конденсата атмосферной влаги (“СРВ-К”). Качество регенерированной воды оценивалось в земных лабораториях, используя пробы воды, доставленные с борта космической станции. Аналитическая автоматическая аппаратура для мониторинга в реальном времени качества питьевой воды из запаса и питьевой регенерированный воды, включая микробиологический анализ, требует разработки.

Следует подчеркнуть, что необходимость внедрения средств мониторинга качества воды при длительных орбитальных полетах диктуется тем, что время от отбора проб воды космонавтами до проведения анализов в земных условиях составляет до двух недель и более, тогда как применение данной технологии для межпланетных полетов практически исключает проведение оперативного контроля качества воды.

При создании системы мониторинга качества воды при длительных орбитальных и межпланетных полетах необходимо ориентироваться на рекомендации, представленные в документе [17], где даны показатели оперативного контроля качества воды на борту ПКА. Важнейшими из них являются:

1. содержание органического углерода, азота аммиака, ионного серебра, микроорганизмов, обладающих признаками патогенности, этанола;

2. удельная электропроводность, водородный показатель (рН), запах и привкус. Средства контроля качества воды на ПКА, рассмотренные ниже, охватывают, в основном, только первую группу показателей.

ОБОСНОВАНИЕ И СОСТАВ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА

Авторским коллективом данной работы был проведен анализ научной литературы, касающейся современных разработок и испытаний в летных условиях газоаналитической аппаратуры ПКА. В частности, были изучены все материалы конференций серии International Conference on Environmental Systems за период 2013–2017 гг., поскольку именно на данных форумах обсуждались новейшие разработки газоанализаторов, применимых в условиях космических полетов.

Критическая оценка уровня имеющихся современных зарубежных разработок позволила обосновать выбор направлений для перспективных отечественных разработок, научно-технический задел по которым не уступает, а по некоторым направлениям и превосходит зарубежные достижения. Основные положения обоснования состава средств мониторинга:

1. Использование фурье-спектрометра для анализа состава атмосферы космического аппарата [8] не является рациональным. Имеющиеся ограничения по массе и габаритам такого прибора не позволяют обеспечить спектральное разрешение <0.1 см^–1, что необходимо для выявления особенностей в спектрах веществ, которые надо регистрировать в воздушной среде ПКА.

2. Не менее существенным ограничением метода фурье-спектроскопии являются высокие требования к механической стабильности интерферометра прибора. Эта причина, по всей видимости, обуславливает такие проблемы прибора ANITA как неожиданно высокий уровень шумов, наличие спектральных артефактов, а также деградацию аппаратной функции прибора [21]. Помимо этого, согласно нашим оценкам, с помощью фурье-спектрометра невозможно достигнуть необходимого уровня пределов обнаружения многих газов-аналитов (см. рис. 4).

Рис. 4.

Модельные спектры этанола, метанола, ксилола и толуола, а также результирующий спектр их смеси на уровне ПДК. Сверху – спектры, полученные при высоком спектральном разрешении (<0.1 см^–1), снизу – спектры, полученные с низким спектральным разрешением. Регистрация паров ксилола и толуола в последнем случае существенно затруднена.

3. Для корректного решения обратной задачи – определения вкладов компонентов в газовой смеси в получаемый спектр поглощения – предусматривается использование двух лазерных спектрометров ближнего и среднего ИК диапазонов с целью охвата до 30 газовых компонент не одним, а двумя приборами.

4. Использование спектрометров на основе диодных лазеров позволит на 2–3 порядка увеличить спектральное разрешение при регистрации отдельных компонент внутренней атмосферы ПКА при более выгодных массогабаритных параметрах прибора. Кроме того, лазерные спектрометры значительно более устойчивы к вибрациям, что подтверждается их успешной эксплуатацией, например, в ходе работы марсохода Curiosity [22].

5. Контроль оборотной воды на содержание суммарного углерода целесообразно проводить с помощью окситермографа, являющегося оригинальной отечественной разработкой [23].

6. Наиболее привлекательным вариантом для контроля ионного состава оборотной воды является использование потенциометрических мультисенсорных систем типа “электронный язык”. В этой области аналитической химии российские ученые занимают лидирующие позиции [24, 25].

7. Постоянный мониторинг состава атмосферы в штатных и нештатных ситуациях, что необходимо для оперативного принятия медико-технических мероприятий для обеспечения безопасности экипажа, лучше всего проводить с помощью химических интеллектуальных сенсоров. Эти устройства представляют собой законченные газоаналитические приборы с цифровым выходом, а также с самоконтролем функционирования и не требующие “перекалибровки”, что очень важно в условиях ПКА.

Предлагаемые к разработке средства мониторинга химического состава атмосферы и воды на борту ПКА содержат следующие компоненты: анализатор органических примесей в воде; анализатор неорганических примесей в воде; лазерный газоанализатор среднего ИК-диапазона для детектирования тяжелых микропримесей; лазерный газоанализатор ближнего ИК-диапазона для детектирования легких микропримесей (для штатной и нештатной ситуаций); портативный сенсорный анализатор основных газов для штатной ситуации; портативный сенсорный анализатор для нештатных ситуаций; информационная система, позволяющая контролировать работу всех составляющих комплекса, как в постоянном режиме, так и в режиме срочного оповещения (alarm system).

Определение содержания суммарного углерода. В институте геохимии и аналитической химии РАН им. В.И. Вернадского предложен и разработан новый метод анализа – окситермография, основанный на программированном нагреве анализируемого образца в потоке газа (кислород-инертный газ) и регистрации прореагировавшего или выделенного кислорода, а также других газообразных продуктов, в процессе нагрева [23, 26]. Данный метод позволяет быстро (в течение 1–2 мин) определять наличие органического вещества в водных средах (аналог ХПК – химического поглощения кислорода), определять состав пленок нефти и нефтепродуктов на поверхности воды, содержание органики в грунтах, оценивать “жирность кожи” человека и др. [27].

В приборе, использующим такой метод анализа – окситермографе, определение термического потребления кислорода происходит путем окисления пробы в потоке воздуха или инертного газа с контролируемой концентрацией кислорода. Анализируемый образец подается в высокотемпературный реактор, через который прокачивается смесь газа с заранее заданным парциальным давлением кислорода. На выходе из реактора ставится датчик (сенсор) кислорода, который непрерывно контролирует содержание кислорода, выходящего из реактора. На графике зависимости концентрации кислорода от времени появляется отрицательный пик, который характеризует количество кислорода, затраченного на окисление веществ, находящихся в образце. Дооснащение окситермографа датчиком CO₂ дает возможность проводить и измерения общего углерода, а надлежащий выбор диапазона температурного сканирования позволяет определять содержание определенных органических примесей в воде (например, этанола).

Определение ионного состава оборотной воды. Мультисенсорные системы типа “электронный язык” на основе потенциометрических сенсоров с различными типами чувствительных мембран активно разрабатываются и исследуются уже более 15 лет в Лаборатории химических сенсоров СПбГУ [28].

Мультисенсорная система представляет собой аналитическое устройство, включающее в себя массив (набор) химических сенсоров с относительно невысокой селективностью, обладающих чувствительностью к нескольким компонентам анализируемого раствора одновременно (перекрестной чувствительностью), и использующее соответствующие методы обработки многомерных данных, получаемых от массива сенсоров (методы хемометрики). Такая система при воспроизводимом аналитическом поведении сенсоров и применении адекватного метода многомерной градуировки способна выполнять функции распознавания (идентификации, классификации) разнообразных жидких сред и многокомпонентного количественного определения в этих средах различных неорганических и органических компонентов. Отклик набора перекрестно-чувствительных сенсоров в сложном многокомпонентном растворе представляет собой аналог неразрешенного “электрохимического спектра” образца, в котором присутствует информация о большом числе соединений, содержащихся в анализируемом растворе. Современные методы машинного обучения позволяют эффективно обрабатывать такой отклик и извлекать из него как информацию о количественном содержании отдельных веществ, так и более сложные интегральные характеристики образца, такие, например, как токсичность в шкалах биотестирования [29].

Кроме того, при условиях адекватной градуировки мультисенсорные системы способны прогнозировать ряд органолептических характеристик (вкус и запах) сложных по составу образцов [30], что открывает возможность заполнения пробела в анализируемых параметрах.

Разработки, проведенные за последнее десятилетие, показали, что при определении индивидуальных ионов в чистых водных растворах с помощью отдельных селективных сенсоров возможно получение надежных данных по концентрациям ионов ${\text{NH}}_{4}^{ + },$ Ca²⁺, ${\text{NO}}_{3}^{--},$ Mg²⁺, Cl^–, ${\text{CO}}_{3}^{{2--}},$ ${\text{SO}}_{4}^{{2--}},$ Ag⁺ в рабочем диапазоне (5 ∙ 10^–5–0.1) моль/л.

Газовый мониторинг должен проводиться набором газоанализаторов, использующих различные физические принципы: на лазерах среднего ИК-диапазона – для измерения концентраций тяжелых микропримесей; на лазерах ближнего ИК-диапазона – для измерения концентраций легких микропримесей, паров воды и основных газов при штатных и нештатных ситуациях; химические сенсорные анализаторы – для измерения легких микропримесей в штатной ситуации и основных газов при нештатных ситуациях (прежде всего, задымлений и пожаров).

Cпектрометр среднего ИК-диапазона. Работа прибора основана на принципах лазерной абсорбционной спектроскопии. Основным элементом прибора является перестраиваемый по частоте полупроводниковый квантово-каскадный лазер. Излучение лазера поступает в аналитическую оптическую кювету, содержащую анализируемую газовую смесь. Прошедшее излучение регистрируется фотодетектором. Таким образом, осуществляя сканирование частоты лазера, можно зарегистрировать спектр поглощения с разрешением, определяемым шириной линии генерации лазера, которая существенно меньше 0.1 см^–1. С целью снижения пределов обнаружения определяемых веществ целесообразно применение многопроходных оптических кювет.

Спектры поглощения большинства тяжелых органических соединений, имеют интенсивные фундаментальные полосы поглощения в среднем ИК-диапазоне (7–12 мкм), который долгое время в связи с отсутствием высокоэффективных источников и приемников излучения считался “мертвым диапазоном” и крайне редко использовался для решения прикладных задач. В настоящее время в этом диапазоне появились коммерчески доступные квантово-каскадные лазеры, генерирующие излучение мощностью в десятки и сотни мВт и функционирующие при комнатной температуре. Большой прогресс произошел и в технологии получения полупроводниковых детекторов излучения, например, на основе соединений кадмий–ртуть–теллур, что позволило создавать компактные приемные модули с термоэлектрическим охлаждением. Перечисленные особенности позволяют создавать компактные спектрометры весом не более 10 кг и энергопотреблением в несколько десятков Вт, что является важным аргументом в пользу применения их на ПКА.

Регистрация тяжелых органических соединений требует широкой области частотной перестройки лазера. Для обеспечения перестройки в широком диапазоне спектра частот (до 400 см^–1) в настоящее время применяются квантово-каскадные лазеры с внешним резонатором, вторым зеркалом которой является дифракционная решетка. Поворот дифракционной решетки позволяет сканировать частоту генерации лазера в пределах контура усиления.

Примерный набор веществ, детектируемых лазерным спектрометром среднего ИК диапазона таков: ксилолы, стирол, изопропилбензол, этилацетат, полиметилсилоксаны, дихлорметан, 1.2 дихлорэтан, метилэтилкетон, 2-пропанол, 1-бутанол, ацетальдегид, бензальдегид, бензол, толуол, ацетон. Следует отметить, что использование лазерной спектроскопии на основе квантово-каскадных лазеров для мониторинга внутренней атмосферы космического аппарата уже предлагалось ранее [31, 32]. Использование метода лазерной оптико-акустической спектроскопии в данном приборе позволяет достичь исключительно высокой чувствительности по концентрации. Однако это создает проблемы при регистрации соединений в сложной газовой смеси из-за нелинейности процессов релаксации возбужденных лазером молекул, и, как следствие, представляет препятствие для точного определения концентрации отдельных компонент. На наш взгляд, использование методов прямого поглощения более предпочтительно для решения поставленной задачи.

Лазерный спектрометр ближнего ИК-диапазона. Создание малогабаритных источников излучения с низким энергопотреблением (диодных лазеров с волоконным выводом излучения) позволило вывести решение проблемы измерения концентрации легких газов в атмосфере методами диодной лазерной спектроскопии^{22, 33,44на качественно новый уровень [33–37].}

Предлагаемая к разработке газоаналитическая система с использованием диодных лазеров (ДЛ) обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с существующими международными аналогами. Система многокомпонентная, она включает в себя несколько ДЛ (более 4 источников), работающих на длинах волн, оптимальных для регистрации выбранных газов. Измерения могут производиться как одновременно всеми лазерами, так и последовательно (мультиплексорно), обеспечивая минимальный уровень энергопотребления.

Газовая кювета, где производятся измерения – это многопроходная кювета Эррио, наиболее помехо- и виброустойчивая среди известных многоходовых оптических систем [36, 47] оптимальная по оптической длине и обеспечивающая измерение следовых количеств измеряемых газов.

Назначение лазерного спектрометра ближнего ИК-диапазона – это мониторинг основных газов штатной ситуации и пожарных маркеров. Примерный набор веществ, детектируемых таким прибором: метанол, формальдегид, аммиак, диоксид углерода, пары воды, оксид углерода, метан, фтористый водород, хлористый водород, цианистый водород.

Химические сенсорные анализаторы. Портативные газоанализаторы, сконструированные на базе интеллектуальных газовых сенсоров с цифровым выходом и самоконтролем функционирования, представляют несомненный интерес для обеспечения безопасности при длительных полетах. Применение таких сенсоров, использующих различные физические принципы (каталитические, оптические, потенциометрические и т.д.) дает возможность полностью избавиться от необходимости калибровки аппаратуры на борту космических аппаратов, поскольку интеллектуальные сенсоры после калибровки на Земле не требуют дальнейшей калибровки и сами отслеживают свою работоспособность. Более того, конструкция портативных газоанализаторов позволяет оперативно осуществлять замену химических сенсоров из ЗИПа на ПКА.

В случае необходимости селективного обнаружения определенного газа в смеси различных газов в последнее время в мировой практике достаточно широко практикуется подход, основанный на применении нейросетевого программирования. В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, данный подход использует набор относительно неселективных сенсоров.

Мультисенсорная система должна быть составлена из индивидуального набора сенсоров. Сенсоры в матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствительность, селективность), число их может колебаться от единиц до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей. Принцип работы системы основан на измерении электропроводности химических сенсоров при их взаимодействии с газами-аналитами. В результате адсорбции молекул исследуемого газа электропроводность чувствительных слоев сенсоров изменяется. Каждый сенсор не является строго селективным по отношению к какому-либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора индивидуальна для каждого анализируемого газа. Это может достигаться выбором материала чувствительного слоя сенсора и/или подбором его рабочей температуры.

Математическая обработка данных сенсорных откликов с использованием методов нейросетевого программирования позволяет сформировать индивидуальный “образ” анализируемого газа. Уникальный образ запаха вещества создается в результате использования отличающихся друг от друга чувствительных элементов сенсоров.

Портативный анализатор основных газов для нормальной ситуации на ПКА должен регистрировать следующие газы в атмосфере ПКА: O₂, CO₂, H₂, H₂O, СН₄, NH₃. Различные варианты сенсоров на данную группу газов описаны во множестве работ (например, [38–44]).

Достоверным способом обнаружения пожара на ранней стадии является контроль химического состава воздуха, резко изменяющегося из-за термического разложения (пиролиза) перегретых и начинающих тлеть горючих материалов, и в большинстве случаев можно уверенно выделить основные газы-аналиты: CO, NO, HF, HCl [45]. Детектирование данных газовых компонент в атмосфере ПКА является задачей, которую должны выполнять портативные анализаторы для нештатных ситуаций.

Сравнительные испытания пожарных извещателей различного типа, проведенные в стандартных огневых камерах ВНИИПО МЧС в 2012–2014 гг. однозначно подтвердили преимущество полупроводниковых газовых пожарных детекторов по сравнению другими типами пожарных сигнализаторов [46].

Информационная система верхнего уровня. Назначением этой составляющей комплекса аналитических средств является отслеживание соответствия показаний газоаналитических измерительных систем установленным пределам, формирование сигнализации в случае выявления отклонений за эти пределы и выдача первичных рекомендаций по реакции на каждое конкретное отклонение.

Программная часть системы должна использовать кросс-платформенный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс, позволяющий производить настройку и расширение системы. База данных информационной системы должна содержать предустановленные параметры отслеживаемых устройств и рекомендации по реакциям для персонала ПКА в случае сигнализации о выходе параметров за заданные пределы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обоснована концепция мониторинга химического состава атмосферы и качества оборотной воды пилотируемых космических аппаратов, которая может быть использована при длительных полетах. Сформулированы основные факторы риска изменения состава атмосферы и состава оборотной воды при межпланетных космических полетах.

Предложен примерный состав аппаратно-программного комплекса средств мониторинга качества атмосферы и оборотной воды на ПКА, использование которого в составе СЖО даст возможность оперативно применять медико-технические меры для обеспечения жизнедеятельности экипажей ПКА.